保利大廈基坑5D 監(jiān)測(cè)中的新興呈現(xiàn)(Emerging)技術(shù)

趙華英 葉紅華 陳 陟 陸 揚(yáng) 石云軒 盧 旦 周 智 趙 亮 孫廣禮 葛 琳 梁士毅

(1.上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)工程建設(shè)咨詢(xún)有限公司，上海 200041;2.上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)技術(shù)中心，上海 200041;3.上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)申元巖土工程有限公司，上海 200040;4.上海宇溪文化傳媒有限公司，上海 200331)

1 項(xiàng)目概況

(1)基坑規(guī)模:B 區(qū)基坑總面積約4 850m2，基坑延長(zhǎng)米約為450m;

(2)基坑開(kāi)挖深度:本工程±0.000=+5.450(吳淞高程)，自然地坪相對(duì)標(biāo)高普遍區(qū)域標(biāo)高為-1.300，考慮基底墊層厚度200mm，本工程基坑挖深為6.9m?；游鱾?cè)為濱江綠化帶，且綠化帶地坪標(biāo)高高于坑邊地坪2.65m。由于與綠化帶距離較近，約為3.2m。

圖1 基坑位置示意圖

(3)本工程基坑開(kāi)挖深度為6.9m，屬于二級(jí)安全等級(jí)基坑工程;

(4)本工程基坑開(kāi)挖深度為6.9m，基坑西側(cè)防汛墻距基坑邊約10m，在1 倍開(kāi)挖深度范圍以外，環(huán)境保護(hù)等級(jí)定為二級(jí)。基坑北側(cè)及南側(cè)環(huán)境保護(hù)等級(jí)按三級(jí)考慮。

2 基于BIM 的基坑5D 監(jiān)測(cè)及新興呈現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用的意義

《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50497 -2009)強(qiáng)制性條文規(guī)定:開(kāi)挖深度大于等于5m 或開(kāi)挖深度小于5m 但現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況和周?chē)h(huán)境較復(fù)雜的基坑工程以及其他需要監(jiān)測(cè)的基坑工程應(yīng)實(shí)施基坑工程監(jiān)測(cè)［1］。

目前雖然對(duì)軟土深基坑的研究有了一定的進(jìn)展，但對(duì)其變形及力學(xué)性質(zhì)的的研究還不夠完善，使計(jì)算模型及假定與工程實(shí)際情況存在較大偏差，導(dǎo)致基坑支護(hù)工程的變形估算不太準(zhǔn)確，從而影響了工程的安全和成本。因此，在施工工程中對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的監(jiān)測(cè)就顯得十分重要。

然而，傳統(tǒng)的基坑安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)文件均以報(bào)表配合二維曲線(xiàn)、圖形的方式表達(dá)變形趨勢(shì)，當(dāng)工程師查看變形情況時(shí)不能方便地整體查閱變形情況，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形趨勢(shì)難以準(zhǔn)確判斷。

圖2 基坑BIM 整體模型

鑒于以上原因我們將BIM 技術(shù)引入基坑工程監(jiān)理、監(jiān)測(cè)、管理等工作，以解決以往在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中不能直觀表現(xiàn)其變形情況和變形趨勢(shì)的缺點(diǎn)，采用5D 技術(shù)(三維模型+時(shí)間軸+變形色譜云圖)方便監(jiān)理人員、工程師、管理人員、業(yè)主、施工人員等判斷基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況并指導(dǎo)開(kāi)展相關(guān)工作;采用基于BIM 的地勘模型指導(dǎo)監(jiān)理、施工、設(shè)計(jì)人員直觀準(zhǔn)確地判斷地質(zhì)情況，協(xié)助處理突發(fā)情況;采用三維激光掃描施工實(shí)際成型的圍護(hù)形狀，用以矯正基坑當(dāng)初設(shè)計(jì)的理論位置，輔助監(jiān)理、監(jiān)測(cè)單位判斷施工誤差;BIM 結(jié)合GIS(地理信息系統(tǒng))指導(dǎo)工程場(chǎng)地規(guī)劃、場(chǎng)地環(huán)境管理等，結(jié)合半透明基坑及地勘模型，能從宏觀上看清基坑與黃浦江等周?chē)h(huán)境關(guān)系及基坑與持力層、軟弱下臥層之間關(guān)系;采用彩色尼龍的3D 打印技術(shù)輔助項(xiàng)目參與人員了解基坑基本情況;采用基于AR、VR、Google Glass 的新型呈現(xiàn)技術(shù)全方位展現(xiàn)基坑的變形監(jiān)測(cè)、地質(zhì)情況以及指導(dǎo)基坑搶險(xiǎn)和輔助基坑項(xiàng)目監(jiān)理、監(jiān)測(cè)、管理等日常工作。提高基坑工程的監(jiān)理、管理、施工等各個(gè)環(huán)節(jié)的工作效率，減少危險(xiǎn)情況遺漏。BIM(Building Information Modeling)在建筑業(yè)的應(yīng)用能較好的解決建設(shè)工程項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)的信息斷層問(wèn)題，提高建筑業(yè)信息管理效率［2］。

3 基坑5D 變形監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)的基坑變形監(jiān)測(cè)工作方式采用數(shù)據(jù)表格、二維變形曲線(xiàn)、文字描述的方式編制成監(jiān)測(cè)報(bào)告，項(xiàng)目參與方對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果集中進(jìn)行討論，分析變形是否過(guò)大或是否趨于穩(wěn)定，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)反饋并分析，并確定是否需采取必要的補(bǔ)救、搶救措施，使基坑不發(fā)生意外破壞和變形。每天靠人工操作，翻閱大量Excel 表頁(yè)中的成千個(gè)數(shù)據(jù)，得出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的本次變形值和累計(jì)變形值，判斷風(fēng)險(xiǎn)臨界狀態(tài)。如要知道變形速率，也只能將少量敏感點(diǎn)一一描繪出其單點(diǎn)時(shí)間變形軌跡，用以分析趨勢(shì)，然后加以是否報(bào)警的標(biāo)注。這樣做，第一耗時(shí)費(fèi)力，不利于基坑變形的快速判斷，第二是靠人工大數(shù)據(jù)閱讀，容易疏忽漏讀，第三無(wú)法通覽基坑大區(qū)段塊狀側(cè)向變形與受監(jiān)控管線(xiàn)線(xiàn)狀垂直沉降之間的三維空間關(guān)系，第四更無(wú)法直觀地看到整個(gè)基坑的變形時(shí)間趨勢(shì)，迅速找到危險(xiǎn)源。

在該項(xiàng)目中應(yīng)用BIM 技術(shù)以3D +時(shí)間+變形值色階的5D 技術(shù)將變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型，自動(dòng)計(jì)算后整個(gè)基坑呈現(xiàn)的是彩色變形立體狀態(tài)，因此立即就可以看到臨界區(qū)域，和超限危險(xiǎn)點(diǎn)。這種可視化基坑變形監(jiān)測(cè)方法，簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確、快速，為監(jiān)理、監(jiān)測(cè)人員提供了嶄新的基坑監(jiān)測(cè)管理方法。

圖3 圍護(hù)3D 模型+時(shí)間+變形值色譜

圖4 變形歷史

4 基于BIM 的地勘模型應(yīng)用

以地勘報(bào)告為初始數(shù)據(jù)，將二維地勘資料轉(zhuǎn)換成三維地勘模型，在Revit 中與基坑結(jié)構(gòu)模型合并，可以實(shí)時(shí)、任意視角查看地下室結(jié)構(gòu)構(gòu)件(地下連續(xù)墻、底板、樁等)與不同深度土層之間的關(guān)系，快速查看土層屬性信息，指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工，輔助監(jiān)理、監(jiān)測(cè)人員判斷樁基持力層和有效樁長(zhǎng)，對(duì)比開(kāi)挖實(shí)際情況與地勘報(bào)告的符合度，輔助驗(yàn)槽工作。利用該地勘模型可以直觀、清晰是看到土層的分布情況，是否存在暗溝、夾層等不利的地質(zhì)情況以及不利地質(zhì)情況的分布位置，有利于輔助監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工等工作的開(kāi)展。通過(guò)剖面視圖可以準(zhǔn)確判斷樁端持力層，同時(shí)查看對(duì)應(yīng)的靜力觸探曲線(xiàn)預(yù)估沉樁阻力，輔助確定沉樁施工方案。

該地勘模型不同于以往的地質(zhì)模型，將地勘模型集成到Revit 中，并賦予土層屬性，使監(jiān)理、設(shè)計(jì)、施工人員能在Revit 平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)、校核工作，這種集成式模型更適合民用建筑的監(jiān)理、施工、設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展，提高工作效率。同時(shí)可以對(duì)地勘模型進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，當(dāng)修改樁長(zhǎng)或樁徑等屬性時(shí)能實(shí)時(shí)輸出變化后的樁承載力、樁材料用量及單樁成本，對(duì)設(shè)計(jì)階段的樁型選取、確定樁基方案有非常重要的實(shí)用價(jià)值。

5 基坑三維激光掃描檢測(cè)施工誤差

由于三維激光掃描的成果可以說(shuō)是建筑物真實(shí)狀態(tài)的體現(xiàn)，依據(jù)高精度的掃描點(diǎn)云進(jìn)行建模，生成的三維模型最大程度上接近真實(shí)，其數(shù)據(jù)格式兼容性好，易存儲(chǔ)?？梢灾苯佑糜跀?shù)據(jù)存檔，工程應(yīng)用，展示匯報(bào)，文物復(fù)建等方面。本項(xiàng)目首次將三維激光掃描技術(shù)用于基坑施工誤差檢測(cè)，解決實(shí)際施工與設(shè)計(jì)圖紙之間存在的誤差問(wèn)題。為實(shí)現(xiàn)建筑物的快速可視化三維重建，對(duì)用地面激光掃描儀獲取的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理［3］。將完工的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)模型之間進(jìn)行誤差比對(duì)，以矯正設(shè)計(jì)理論空間形狀，檢驗(yàn)施工質(zhì)量，使理論計(jì)算更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況。

圖5 地勘模型

圖6 地勘模型2D 剖面視圖

6 3D GIS 在基坑施工中的應(yīng)用

GIS 是以測(cè)繪測(cè)量為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和使用的數(shù)據(jù)源，以計(jì)算機(jī)編程為平臺(tái)的全球空間分析即時(shí)技術(shù)［4］。它可以對(duì)空間信息進(jìn)行分析和處理(簡(jiǎn)而言之，是對(duì)地球上存在的現(xiàn)象和發(fā)生的事件進(jìn)行成圖和分析)。GIS 技術(shù)把地圖這種獨(dú)特的視覺(jué)化效果和地理分析功能與一般的數(shù)據(jù)庫(kù)操作(例如查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)分析等)集成在一起。GIS 與其他信息系統(tǒng)最大的區(qū)別是對(duì)空間信息的存儲(chǔ)管理分析，從而使其在廣泛的公眾和個(gè)人企事業(yè)單位中解釋事件、預(yù)測(cè)結(jié)果、規(guī)劃戰(zhàn)略等中具有實(shí)用價(jià)值。

圖7 掃描模型與設(shè)計(jì)模型比對(duì)

GIS(地理信息系統(tǒng))可以實(shí)現(xiàn)空間圖形顯示與空間信息查詢(xún)與分析?；邮┕ぷ冃伪O(jiān)測(cè)所牽涉到的數(shù)據(jù)類(lèi)型多樣，既有每日的測(cè)定變形觀測(cè)數(shù)據(jù)，又有測(cè)點(diǎn)布置圖這樣的圖形數(shù)據(jù)。

圖8 誤差檢驗(yàn)

在該項(xiàng)目中在GIS 環(huán)境中植入半透明的地下基坑和地勘土層BIM 模型，形成一個(gè)整體性的“上天入地模”，真實(shí)反映項(xiàng)目在三維數(shù)字城市中的情況，通過(guò)地理信息系統(tǒng)可以看清城市環(huán)境中的黃浦江防汛墻、受控管線(xiàn)與本基坑的關(guān)系，同時(shí)通過(guò)為項(xiàng)目全過(guò)程解決方案提供了三維可視化展示、數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)提取、多解決方案比選等提供了強(qiáng)大的三維可視化數(shù)據(jù)支持，通過(guò)地理信息系統(tǒng)各參與方從宏觀角度分析項(xiàng)目、協(xié)同管理施工現(xiàn)場(chǎng)。

7 3D 打印技術(shù)

因基坑內(nèi)外存在灌注樁、鋼支撐、連續(xù)墻、水位檢測(cè)管、煤氣管、通訊電纜、上水管等大量不同的構(gòu)件，用單一材料、顏色的3D 打印模型，不易辨識(shí)。同時(shí)在工地開(kāi)會(huì)，需要非常頻繁地轉(zhuǎn)動(dòng)模型。采用ABC 塑料材質(zhì)的模型容易翹曲，石膏模型更很快就會(huì)折斷。該項(xiàng)目采用最新的彩色尼龍彈性3D 打印模型，對(duì)基坑側(cè)面的重要管線(xiàn)(煤氣、給水、信息)采用不同顏色表達(dá)，以增強(qiáng)識(shí)別性。采用3D 打印技術(shù)輔助工程參與人員快速、直觀了解項(xiàng)目情況，作為項(xiàng)目會(huì)議討論、決策的輔助工具。隨著3D 打印技術(shù)的日趨成熟，3D 打印的成本也在逐步降低，同時(shí)3D 打印有很好的靈活性、成型快速、準(zhǔn)確，工程師可以對(duì)項(xiàng)目整體進(jìn)行3D 打印生成縮尺模型，也可以選擇局部位置生成大比例3D 打印模型。3D打印技術(shù)勢(shì)必會(huì)成為項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中必不可少的技術(shù)手段之一。

圖9 BIM 模型植入3D GIS 系統(tǒng)

圖10 基坑3D 打印模型

8 AR(Augmented Reality)技術(shù)

該項(xiàng)目將AR 技術(shù)應(yīng)用到基坑施工建設(shè)中，用新型呈現(xiàn)技術(shù)輔助項(xiàng)目管理、建設(shè)、監(jiān)理等工作，提高項(xiàng)目的人機(jī)互動(dòng)，模擬可預(yù)見(jiàn)的項(xiàng)目真實(shí)場(chǎng)景，使項(xiàng)目參與人員對(duì)將要進(jìn)行的工作內(nèi)容有基于現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的可視化預(yù)覽，提高項(xiàng)目參與人員對(duì)項(xiàng)目工作內(nèi)容的理解。同時(shí)通過(guò)AR 技術(shù)可以方便地用iPhone 智能手機(jī)、iPad 等平板電腦和谷歌眼鏡等便攜式移動(dòng)進(jìn)行基坑搶險(xiǎn)培訓(xùn)、基坑搶險(xiǎn)預(yù)案展示，提供監(jiān)理、管理人員在不便進(jìn)入基坑內(nèi)部的情況下現(xiàn)場(chǎng)對(duì)施工、監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)工作進(jìn)行指導(dǎo)。

9 VR(Virtual Reality)技術(shù)

VR 技術(shù)與AR 技術(shù)的不同之處是VR 技術(shù)不需要項(xiàng)目參與人員與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行交互，所以在地點(diǎn)選擇上比較靈活，這個(gè)特點(diǎn)對(duì)遠(yuǎn)離項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的項(xiàng)目參與人員提供了一個(gè)虛擬的施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，各參與方可以通過(guò)VR 技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目交流，輔助項(xiàng)目參與各方在重大施工方案決策及針對(duì)施工過(guò)程中的突發(fā)情況的預(yù)處理方案進(jìn)行定案與模擬，基于BIM 的寖?nèi)胧絍R 技術(shù)改變了決策者以圖紙、想象為基礎(chǔ)的定案方式，VR 技術(shù)提供了不限地點(diǎn)、共享、直觀、快速的討論項(xiàng)目問(wèn)題的新方法，同時(shí)也是對(duì)AR 技術(shù)在項(xiàng)目應(yīng)用上的補(bǔ)充。

圖11 基于AR 技術(shù)的基坑變形測(cè)量作業(yè)指導(dǎo)

10 Google Glass 技術(shù)

在對(duì)基坑進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的同時(shí)，基坑巡視是基坑安全必不可少手段。通過(guò)巡視，可以及時(shí)、直觀地觀察到地表裂縫、塌陷等表象，對(duì)基坑的局部穩(wěn)定性的判斷起著不可替代的作用。一旦發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)作好記錄，嚴(yán)密觀察其變化情況，同時(shí)及時(shí)向項(xiàng)目部匯報(bào)。項(xiàng)目部接到報(bào)告后應(yīng)立即作出反應(yīng)，分析其原因，并根據(jù)對(duì)基坑安全的影響程度制定有效控制措施，以防止形勢(shì)惡化，危及基坑的安全。

該項(xiàng)目采用第二代Google Glass 硬件技術(shù)，自主開(kāi)發(fā)了適合土木建筑應(yīng)用的APP 軟件，該項(xiàng)目采用的佩戴式的谷歌眼鏡替代了傳統(tǒng)的手持式便攜媒體設(shè)備，使項(xiàng)目參與人員解放雙手，能同時(shí)查看BIM 模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。在指導(dǎo)、參與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急搶險(xiǎn)工作時(shí)，Google Glass 結(jié)合AR 技術(shù)提供了針對(duì)不同情況、不同位置、不同條件下處置現(xiàn)場(chǎng)情況的觸發(fā)機(jī)制，可以使監(jiān)測(cè)員按上海市建筑工程安全質(zhì)量管理?xiàng)l例的規(guī)定快速觀看險(xiǎn)情，快速調(diào)取應(yīng)急預(yù)案，快速按預(yù)案中的復(fù)測(cè)操作動(dòng)畫(huà)進(jìn)行復(fù)測(cè)。經(jīng)過(guò)復(fù)測(cè)證實(shí)險(xiǎn)情后，直接按眼鏡中顯示的報(bào)警電話(huà)號(hào)碼語(yǔ)音撥打報(bào)警電話(huà)進(jìn)行報(bào)警，然后再按眼鏡中預(yù)存的搶險(xiǎn)操作規(guī)程的操作分解動(dòng)畫(huà)作為指導(dǎo)，第一時(shí)間協(xié)同各參與方進(jìn)入搶險(xiǎn)工作狀態(tài)。

圖12 VR 場(chǎng)景

圖13 查看基坑內(nèi)部情況及調(diào)閱應(yīng)急預(yù)案

11 總結(jié)

BIM 模型的建立是BIM 應(yīng)用的基礎(chǔ)，BIM 模型的應(yīng)用才是BIM 技術(shù)的核心，只有對(duì)建立的BIM 模型結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行有效地應(yīng)用才能使BIM 技術(shù)具有生命力，才能使BIM 技術(shù)真正的融入到項(xiàng)目建設(shè)的全過(guò)程中。基于BIM 的基坑5D監(jiān)測(cè)及3D 地質(zhì)模技術(shù)的應(yīng)用使基坑建設(shè)過(guò)程的安全監(jiān)測(cè)依靠可視化手段提高了基坑監(jiān)測(cè)的工作效率，有效地降低了安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中的人為遺漏。同時(shí)該項(xiàng)目采用的AR、VR、Google Glass 等新型呈現(xiàn)技術(shù)和移動(dòng)媒體設(shè)備使項(xiàng)目管理、監(jiān)理、監(jiān)測(cè)人員對(duì)基坑施工過(guò)程的安全監(jiān)控更加有效。BIM 技術(shù)在保利大廈基坑安全監(jiān)測(cè)方面的拓展應(yīng)用探索了基坑安全監(jiān)測(cè)的新方法，為BIM 技術(shù)在基坑工程建設(shè)全過(guò)程的應(yīng)用提供了具有實(shí)用價(jià)值的參考。

［1］GB50497 -2009 建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

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